住宅/冷暖房として「地中熱利用」に興味をお持ちの方へ

最近、テレビ・雑誌で取り上げられている【地中熱利用】、実は、決して最先端の技術ではないのです。
(テレビ・雑誌等では、日本では1970年代から研究がスタートしたと紹介されています。確かに、地中熱を住宅や建築物の冷暖房用として利用するための研究はオイルショック後から各社が研究をスタートしたようです)

住宅に「地中熱」を取り込むことは、全く新しいアイデアではなく、古くは縄文時代の竪穴式住居でもおこなわれていました。
暖房器具や断熱材の無い時代に「快適に暮らす工夫」として竪穴式住居では地中熱を利用していたと考えられています。
*その後、高床式住居になってから「日本の住宅は寒くなった」と考えられています。

*竪穴式住居の構造については下記をクリックしてご覧ください。
(竪穴式住居)あびこ電脳考古博物館サイト/竪穴住居構造

エコホームズが開発した地中熱利用システム(名称:エコシステム)は、アイヌ民族の伝統的民家「チセ」の研究結果をもとにシステムを構築しました。
「チセ」とは下記の住居です。(画像をクリックすると拡大表示されます)

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*参考情報(動画):アイヌ民族 伝統民家 チセの紹介(動画)


*「チセ」に関する研究内容については、小冊子【地熱住宅開発秘話】をお読みください。
無料小冊子プレゼント【外断熱の地熱住宅開発秘話】

旭川市に建っていた「チセ」(復元住宅)は、外殻をクマザサの葉でふいただけの構造です。冬の夜間、外気はマイナス20度~30度にもなる極寒の地で「どうやってアイヌ民族は暮らすことができたのか?」そんな疑問をもとに研究されました。

「チセ」の中で暖をとるため「マキを燃やせば燃やすほど」中は寒くなります。(燃焼による熱でチセの外側に積もっている雪が溶けるからです。雪は断熱材の役目があります。マキの燃焼による暖気は屋根の雪を溶かし、そこから外へ逃げていきます。結果として、断熱材(雪)がなくなると共に、入口から極めて冷たい外気がチセの中へどんどん流入してきます。

そのため、「チセ」の内部ではチョロチョロとしかマキを燃やせませんでした。そんな極わずかの暖房機(マキの燃焼)しかなかったのですが、室内は体感温度で10度ちかくあったのです。

不思議ですね。

竪穴式住居のころから、私達は「地中熱の利用」を知っていたのです。地中熱という言葉はありませんでしたが、経験上、地中熱を利用すると「冬 寒くない」住宅になることを知っていたのです。

最近になり、環境省は「地中熱の利用」についてようやく調査を開始しました。その結果が【地中熱等活用施設の設置状況等の調査結果について】(平成23年2月)として公表されました。(下記をクリックしてご覧ください)

環境省からなにか郵便物が届きました・・・???(地中熱利用システム/全国設置状況調査報告)


「2.地中熱の利用形態」のところで、地中熱利用の方式が解説されています。この中で、住宅用に利用されているのは2種類です。「空気循環」タイプと「熱伝導」タイプとなります。竪穴式住居や「チセ」が利用していた方式は「熱伝導」タイプに分類されます。
(エコホームズの地中熱利用システムは、「チセ」の研究結果をもとに開発したものですから、「熱伝導」タイプの一種です)
*環境省の図では、「熱伝導」タイプは床下に砂利層が書かれていますが、私達のシステムはこの部分が違います。床下は砂利層ではなく、「基礎外断熱」及び「床下システム」(これらの詳しい内容については後述いたします)が設置される床下空間になっています。

そのため、「空気循環」タイプとは違い、住宅の地中に採熱管などを埋設する必要がありません。

さて、エコホームズが開発した地中熱利用システムは下記の特徴があります。

①外断熱工法(基礎も外側に断熱します)及び高気密住宅
・「チセ」住宅は、住宅全体が雪(断熱材)で覆われていました。エコシステムにおいても、住宅を外側から地中まで断熱材で覆います。これを「外断熱工法」と言います。
・地中熱は1年を通じて安定していますが、だいたい15度~18度の間です。実際に、地熱住宅で温度測定した結果をご覧ください(↓)*画像をクリックすると拡大表示されます。

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12月から3月にかけて測定したものです。
測定した時間帯は、早朝6時前後の記録です。これは「日射(太陽)」がのぼる前の測定結果ですので、「夜間」の状態を示しています。
測定結果から解明できることは、【外断熱の地熱住宅】では、夜間、地中から住宅(床下基礎)方向へ熱が移動しています。その詳しい解説については、下記をクリックしてご覧ください(↓)
千葉県柏市I邸 測定結果

立地条件や築年数によっても違いますが、地熱住宅では、夜間、床下が15~18度程度になります。これは「体温よりも低い温度」です。つまり、床暖房などの「体温よりも高い温度」ではありません。このささやかな温度で「寒くない住宅」にするためには、住宅そのものが高断熱住宅である必要があります。(私達は高断熱住宅にする工法として「外断熱工法」を採用しています)
*この外断熱工法・高気密住宅に関する詳しい内容は後述いたします。


②床下システム

・住宅の基礎下(地中)に、冬の間ずっと「地中熱」を保持するために、「床下を冷やさない」工夫が必要になります。この工夫を「床下システム」という設備が自動でおこないます。
*この床下システムに関する詳しい内容は後述いたします。

この2つの特徴により、アイヌ民族「チセ」が活用していた【地中熱】を利用することができるのです。
それでは、2つの特徴について詳しくご説明いたします。

まずは、1つ目の特徴である【外断熱工法(基礎も外側に断熱します)及び高気密住宅】についてご説明いたします。

【外断熱工法(外張り断熱工法)について】
地中熱利用を効果的におこなうには、高断熱・高気密住宅である必要があります。地中熱利用はストーブなどの暖房機による熱とは違い、ささやかな熱(冬15~18度、夏17~20度)であるため、それを効果的に利用するためには住宅の断熱性能が高くないと効率的に利用できません。
エコホームズでは断熱工法として「外断熱工法(外張り断熱工法)」を採用しています。
*なお、地中熱利用だけを考えると、高断熱・高気密住宅であれば良いので、外断熱工法以外の高断熱工法でも大丈夫です。

ただし、下記に記述している通り、構造材の周りを空気が流れるようにするため(構造材:木材を長持ちさせる工夫です)、エコホームズでは外断熱工法を採用しています。
外断熱工法について、下記をご覧ください。


【外断熱(そとだんねつ)】ってなんですか?

質問:外断熱(そとだんねつ)という言葉をよく聞くようになったのですが、【外断熱】ってどんな断熱方法なのですか?

回答:
戸建住宅において、いろいろな断熱方法がありますが、大きく分けると
【充填断熱工法】=内断熱(うちだんねつ) 
【外張り断熱工法】=外断熱(そとだんねつ)
に分けることができます。

この外断熱工法は、決して最近の工法ではありません。すでに20数年前からあります。

1)構造材(木造住宅でいえば、木材)の外側を断熱するのが「外断熱」、壁の中に断熱材を入れるのが「内断熱」です。下記は概念図です。


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実際に「外断熱工事」をおこなっている様子を写真でご覧ください。

2)構造材の外側を青い色(断熱材の種類によって違います)の断熱材で覆ったところ*画像をクリックすると拡大表示されます。
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(壁の部分は、厚さ50ミリの断熱材:青色で外側から施工します。)

下記は基礎/外断熱です。白いものが断熱材です。(画像をクリックすると拡大表示されます)
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(基礎の部分は、厚さ60ミリの断熱材:白色です。防蟻対策がされた特殊な断熱材です。)

下記の図のように、地中まで断熱材が入っています。*画像をクリックすると拡大表示されます。

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【参考情報】
寒冷地での基礎断熱について(敷設断熱について)

屋根も外側から断熱します。*画像をクリックすると拡大表示されます。
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(屋根の部分を外側から断熱しているところです。)


このように「外断熱工法」とは、屋根・壁・基礎を外側から断熱する工法のことです。

3)外断熱工法のメリット=壁の中に空気の流れを発生させます!

外断熱工法のメリットの一つは「壁の中に空気の流れをつくること」です。
「内断熱」(壁の中に断熱材を充填する)の場合、壁の中はほとんど空気が流れません。
「外断熱」の場合、下記の図で「赤色矢印」部分が「断熱材の内側」における空気の流れです。
これにより、構造材(木材)の周りに空気を流すことが可能になります。木材は常に空気に触れていると長持ちするのです。

「青色矢印」部分は、断熱材と外壁材の間に流れる空気のようすです。

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外壁材と断熱材の間に空気の層があることにより、外壁材の熱を直接 断熱材に伝えません。また、空気は断熱性能もありますので、断熱効果を補強することにもなります。
例えば、夏 強い日差しが外壁材にあたると、表面温度が60度を超えることになります。その熱を断熱材に直接伝えないため、通気層(空気が流れる層)をつくります。
通気層の厚みは18ミリです。


これが、エコホームズが施工しつづけている【外断熱工法(外張り断熱工法)】です。


次に、2つ目の特徴である【床下システム】についてご説明いたします。



【床下システムについて】
住宅を外側から断熱しただけでは、「地中熱」を十分に利用することができません。
住宅の下(基礎の下:地中)に蓄えられている「地中熱」を冬になっても冷やさない工夫が必要になります。しかも、基礎の外側を断熱しただけでは十分ではありません。秋から冬に移る際、周囲の地表面温度は下がっていきます。その冷気が地中を伝わって住宅の下/地中に入り込むことを防がないと、せっかくの「地中熱」が冷やされて利用できなくなります。どのような工夫なのでしょうか。

まずは前述した内容と重複しますが、2種類の地中熱利用方法について再度ご説明いたします。

【地中熱の利用方法について】
・一つ目は「直接、地中から熱を取り出す方法」です。「クールチューブ方式」(空気循環型)と「ヒートポンプ方式」があります。
「クールチューブ方式」とは、建物の外から地中にかけて「管」を埋める方式です。そして、地中から建物内(床下など)にも管を通します。
例えば、夏、外気(30℃)を、管を通して地中深く(5〜10メートル程度)まで導入します。すると、地中温度が15℃程度ですから、外気が冷やされます。その冷やされた空気を家の中に持ち込みます。
ただし、高温多湿な空気を地中で冷やすため「結露水」が発生してしまいます。それを水中ポンプなどでくみ出しますが、どうしても管内にカビが発生してしまいます。

その欠点を補う方式「ヒートポンプ方式」です。管の中には外気ではなく液体の冷媒を通します。さらにヒートポンプによって冷媒から熱を取り出します。主に、海外で普及しています。

・二つ目は、私達が利用している「伝導型地中熱利用方法」です。
この原理も非常にシンプルです。

【伝導型地中熱利用の原理】

1)春から夏にかけて、地表面が暖められ、その熱は地中を伝わります。そして、建物の下(地中)にも熱が伝わっていきます。

2)その熱を冬になっても「冷やさない」ようにします。冷やさないようにするには「床下システム」(これが地中熱を冬に持ち越すシステムです)という装置を設置します。

3)概念としては下記をご覧ください。
(実際に地中温度を測定した結果を図にしました。千葉県成田市での測定結果です。赤い色の部分は温度が高い状態です。)

①5月20日での測定結果
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春の時期は、リセットの時期です。「外気温度」と「地熱住宅/建物下の地中温度」の差が小さい時期です。


②7月20日での測定結果
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5月20日の図と比較してください。5月20日に比べて日射量が増え、さらに外気温度が上昇しているため、その熱によって地表面が暖められているのがわかります。


③9月20日での測定結果

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7月20日に比べると、地表面の熱が地中に伝わっている様子がわかります。土は熱を伝える性質がありますので、地表面の熱は地中へじょじょに伝わり蓄えられていきます。
この「地表面から伝わり、蓄えられる熱」が「地中熱」です。
この熱(建物の下/地中に伝わった熱)を冬になっても冷やさないようにするのが「床下システム」です。
そのため「床下システム」は、秋から冬になる前から冬の準備(つまり、建物下/地中の熱を冷やさない準備)に入ります。9月10日ごろから冬の準備(冬モード)で動き始めます。
(建物/外壁の外側に設置する「温度センサー」が外気を測定しています。その測定結果をもとにシステムのコントローラーが判断して冬モードに自動で切り替わります)

○下記が外壁に設置する温度センサーです(温度だけではなく、湿度と音も測定します。

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それでは「床下システム(地中熱利用システム)」について詳しくご説明しましょう。

★「床下システム」(地中熱利用システム)とは?★

【外断熱の地熱住宅】では、地中熱利用のシステム(名称:床下システム)と24時間換気システムを一つのコントローラーで制御しています。
この仕組みをご説明します。

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1)床下にある配管は、地熱利用をおこなうための「床下システム」の一部です。(洗面脱衣室に設置してある「点検口」を開けると床下を見ることができます。)
そこには、給水・給湯の配管(下記の写真では、給水=青色 給湯=赤色)と排水管の横に太目の管があります。
それが「地熱利用システムの配管の一部」です。


下記の写真は施工中の現場で撮影したものです。床材を貼る前でないと見る事ができません。
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*管にオレンジ色のキャップがついていますが、これは工事中に配管内にホコリがはいらないための工夫です。床下を清掃する際、このキャップを外します。


2)家の中で目立たない場所にコントローラーを設置します。これは「地熱利用システム」と「24時間計画換気システム」を自動でコントロールするためのものです。
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コントローラーは、「地中熱利用冷暖房システム」と「24時間換気システム」を制御する機器です。(操作用モニター)は室内(例えばリビングなど)に設置されます。(機器本体)部分は階段下などの収納部に設置されます。なお、センサーが標準で4か所設置されます。

【センサー設置個所】
①外部:北・東側 音・温度・湿度の測定用
②外部:南・西側 温度の測定用
③内部:床下 温度・湿度の測定用
④内部:室内 温度・湿度の測定用
なお、センサーの費用が追加で発生しますが、他にも「地中」「室内の他所」にもセンサーは設置可能です。

*このコントローラーの機能については、下記をクリックしてご覧ください(↓)
地中熱利用システム(エコシステム)のコントローラーが新型になりました!


3)天井裏(小屋裏)には、システム/機器が設置してあります。
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下記の図の通り、2階天井付近にたまっている暖気を床下へ送り込むためのシステムです(夏は逆の流れをつくります ↓↓↓)
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2階天井付近に溜まっている暖気を床下に送り込むと、床下/基礎コンクリートに少しずつ蓄熱していきます。このわずかな熱によって、建物下(地中) が冷え込むのをおさえます。つまり、春から夏にかけて、地中を伝わって蓄えられた熱を冬に持ち越すための工夫です。


このように、地熱住宅では、小屋裏の一部空間を利用して、「地中熱利用システム(床下システム)」と「24時間換気システム」を設置しています。

4)【外断熱の地熱住宅】の建っている地中(床下/基礎下の地中)に、地表面から伝わって蓄えられた地中熱を冷やさないように、9月10日ごろから「冬モード」に床下システムは動きはじめます。
・建物の下(地中)が冷え始めてからでは遅いのです。冷え始める前から「冷やさない工夫」(それが床下システムの冬モード稼動です)がはじまります。

なお、「冬モード」は下記の期間/時間帯で、2階/天井付近の暖気を床下に送りこみます。
(外気温によって、下記の期間は変動します。あくまでも目安です。外気温用センサーの測定結果によって冬モードに切り替わりますので、地域の気候/外気温によっては期間が変動します)

○期間: 9月10日〜3月19日まで
○稼動時間: 10:00〜21:00まで 


上記の「床下システム」(冬モード)が稼動することによって、地熱住宅の基礎下部/地中の温度が保たれます。下記の測定結果をご覧ください。

(11月20日での測定結果)
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(1月20日での測定結果)
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*2001年1月7日 午前6時の測定結果
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測定場所:千葉県成田市
測定時間:2001年1月7日 午前6時
・外気温マイナス2.9℃
・1階和室 16.0℃

カタログにも掲載されてありますが、上記は地熱住宅内と外部(外気・地中温度)を測定した結果です。

外断熱・高気密住宅の場合、太陽が昇り、室内に日射が入り始めますと、その日射熱により室温が上昇します。これは地中熱利用効果というよりも、日射熱の影響の方が大きいのです。
そこで、地中熱利用効果を測定するため、午前6時(まだ太陽が昇りません)の測定結果を表示しました。(夜間も同様です)

注目していただきたいのは、建物中心部の床下(18.6度)とその直下/地下1メートル部分
(19.7度)です。熱は高い温度から低い温度へ移動します。つまり、地熱住宅の場合、夜間(太陽が沈んでいる時間帯)は、地中から室内側へ熱が移動しています。
これが「地中熱利用効果」です。地中熱を利用して、外気温度が低下していく夜間でも、室内側に地中から熱を供給することにより、室内側の温度を大きく下げません。

(地中熱利用住宅:温度測定結果)
*画像をクリックすると拡大表示されます。
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上記は、地熱住宅における1年を通じた温度測定の結果です。
「居間」の温度測定の結果をみると、1年を通じて、18度から27度の範囲になります。
つまり、「冬:18度前後の室温」「夏:27度前後の室温」となります。

日当たりの状況にもよりますが、冬、若干の補助暖房を使用することにより「寒くない室内」になります。また、梅雨から夏にかけては、エアコンによる除湿(もしくは弱冷房)により、「暑くない室内」となります。

これが、私達が開発した「伝導型地中熱利用」の原理です。


【参考情報】
【伝導型地中熱利用冷暖房システム 配管図】(24時間換気システム用配管経路も含む)
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【地中熱利用システム】は「24時間換気システム」と連動しています。
家の中の汚れた空気と新鮮な外気を入れ替える「24時間換気システム」は高断熱・高気密住宅に必須です。しかしながら、換気(家の中の汚れた空気と新鮮な外気を入れ替える)をすることは、家の中の熱を失うことにもなります。(冬、せっかく温めた室内空気を冷たい新鮮空気と入れ替えるからです。また、夏、除湿されたヒンヤリした室内空気を湿度と温度の高い外気と入れ替えるからです)
そのため、地中熱利用システム(上記の図では、「床下システム」と表記されてある部分です)と24時間換気システムを連動させながら(効果を最大限発揮するように)動かしています。

なお、24時間換気システムに組み込まれないのが「キッチンの換気」「お風呂の換気」です。

「キッチンの換気」をシステムに組み込むと、調理によるニオイなどがシステムに入り込みます。また、「お風呂の換気」をシステムに組み込むと、大量の湿気がシステムに入り込みます。そこで、その2つの換気は局所換気(その部分だけを独立させた換気システム)にします。

「キッチンの換気」は、調理のニオイを室内に混じらせないため、【同時給排型換気扇】を設置します。これは排気と同時に外からの給気(新鮮空気を入れる)もおこなうものであり、24時間換気システムにニオイが混じりません。

「お風呂の換気」は、排気のみの換気扇(タイマー付き)です。これは、浴室内の湿気を外に捨てるだけのシステムです。
ただ単に、温熱環境(温度・湿度)を考慮するだけでは不十分です。ニオイの問題も解決するため、地中熱利用システムと24時間換気システムは総合的に最適な方法で動きます。


最後までお読みいただきましてありがとうございます。
なお、【外断熱の地熱住宅】をさらに詳しく知っていただくため、資料を準備しております。
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